二维温度分层流的数值模拟

以N-S方程为基础，考虑水流温度分层的特点，采用了二维温度分层流的大涡数值计算模型，根据Smagor-insky-Deardorff大涡模型方法对运动粘性系数和运动扩散系数进行模拟，通过对港口取水系统进行模拟，得到了水温与流速分布，正确地模拟了温度分层现象，同时比较了不同工程措施对降低取水温度的效果。     

基于耦合模型的安康库区水温水质影响研究

河流上筑坝发电将对水温、水质等生态环境产生影响。该文建立了三维水温水质耦合模型,以汉江上游安康水电站为例,选取COD(化学需氧量)和氨氮为水质指标,利用实测的水温、水质数据率定参数,对比分析单独计算和耦合计算其坝前垂向水温的差异性,模拟"引汉济渭"工程实施后逐月水温水质分布,总结耦合计算其库区水温、水质的变化规律。研究结果表明,耦合计算坝前垂向水温较单独计算反应灵敏,与库区实测水温更接近;耦合计算坝前水温在3月至9月呈弱分层状态,其余月份呈混合状态;对比不同年份的水电站下泄水温与坝址处天然水温可知,枯水年对水温影响最大,平水年次之,丰水年影响最小;坝前垂向氨氮、COD的分布规律基本与实测水温分布规律一致,受温度异重流影响,耦合计算的COD、氨氮分布规律与实际情况更相符合。     

圆形弯管气液两相流数值模拟

采用双流体模型建立了基于贴体坐标和有限体积法的气液两相湍流全三维计算模型,模拟了180度圆形弯管内气液两相流动。模型中连续相(水)采用了考虑分散相(气泡)分布影响的κ-ε两方程的湍流模型;分散相采用代数湍流模型。模型将分散相按气泡分组,可以考虑不同尺寸气泡对流动的影响,提高了计算精度。在两种来流条件下,对180度圆弯管内部三维两相湍流进行了模拟,计算中将气泡按大小分为两组,通过数值模拟获得了弯管内部三维两相湍流的压力、速度和气泡体积率分布等数据。气泡体积率分布的计算结果与实测结果吻合良好。     

隔水幕布改善深水水库下泄低温水效果研究

深水水库的低温水效应明显,以往常采用叠梁门、多层取水口等结构解决下泄低温水问题,但此类方案需在水库投入运行前完成且会造成一定的发电损失。针对已投入运行但未设计建设分层取水设施的水库水温问题,本文提出了在电站进水口前设置隔水幕布的新型水库低温水治理方案,建立三维水动力水温数值模拟模型,模拟分析了隔水幕布改善水库下泄低温水的效果及其主要影响因素。模拟结果表明,隔水幕布可使春夏季水库下泄水温提高2~8℃,幕布型式、淹没水深和坝前水温分布是影响改善效果的主要因素;并基于上述结论提出了隔水幕布方案的下泄水温预测公式。隔水幕布改善水库低温水的效果良好,具有广泛的推广应用前景。     

水库水温分层对浮式取水口前流速分布的影响

由于目前缺乏对浮式取水口前流场变化规律的研究,以分析水库水温分层对取水口前各断面流速分布影响为目标,依据某水库水温资料,采用k-ε紊流模型对浮式取水口前流场进行三维数值模拟,针对水库水温均一和水温分层的两种情况,研究取水口前流速分布,分析水库水温分层对取水口前各断面流速分布的影响。研究结果表明,在浮式取水口附近,水温均一和水温分层的流速分布存在着差异,这种差距随着取水流量和淹没深度的增大而减小。研究成果可为浮式管型取水设施的应用和运行提供技术支持,为取水水温预测提供理论依据。     

糯扎渡水电站叠梁门试运行期实测水温与数值模拟水温对比分析

为尽量发挥分层取水措施的生态效益和电站的经济效益,将糯扎渡水电站叠梁门试运行期实测水温与数值模拟水温进行对比,发现:(1)2015年、2016年4—8月坝前库区实测的表层水温与数值模拟的表层水温有-16%~29%的偏差;(2)糯扎渡电站坝前库区实测水温分层状况和数值模拟结果一致,属全年分层型,但试运行期间水温分两层的时段约为4个月,水温分层厚度与数值模拟的分层厚度存在差异,而且4—8月中、上层的实测水温高于数值模拟水温;(3)数值模拟预测过高地预判了电站汛期水库蓄水位,从而过高地估计了4—8月的下泄水温影响,过低地预测了分层取水措施的升温效果;(4)设计推荐的叠梁门运行调度方案总体可行,但可能偏保守。根据上述对比分析结果,建议充分利用实测水温数据,对叠梁门设计进行效果评估,进一步优化分层取水措施设计并完善叠梁门运行调度方案。     

一个模拟密度分层流特征的改进三维数值模型

为实现对强密度分层流的数值模拟,本文对Boussinesq近似及静压假设进行了讨论。并根据密度分层流的特点,在质量流量守恒条件下对通用POM模型的连续方程、动量方程及湍流模型方程进行了必要的改进。应用改进的三维数值模型,对两组盐度差下的分层流动进行了模拟。结果表明：在环境水体垂向密度变化不明显的情况下,采用静压假设是可取的。但对于环境水体存在明显密度分层的情况,由于垂向密度变化较大,静压假设并不适宜。相对原模型,改进模型得到的盐度等值线更加平稳,盐度垂向变化的梯度更大,计算结果更符合密度分层流的特征。     

混流式模型水轮机整体三维粘性流动计算

计算机和流动解析技术(CFD)的进步，三维粘性流动数值模拟逐步被应用于水轮机系统的设计和改造。本在雷诺时均N-S方程基础上，采用有限体积法和κ-ε双方程紊流模型，计算了混流式模型水轮机整体三维粘性流动。通过三维粘性流动计算，获得了模型水轮机各过流部件的速度、压力分布，进而预估了模型水轮机的效率，并与模型试验结果进行了比较。     

大型分层型水库下泄水温对取水高程敏感性分析研究

为分析下泄水温随取水高程变化规律,探讨分层型水库下泄水温的敏感性,结合丰满水电站,建立了全三维水动力-水温耦合数学模型,并同时开展了物理模型实验,计算结果与实验结果进行了相互验证。对取水水头16.0~25.0 m下取水水温进行预测研究,结果表明:大型分层型水库下泄水温不仅与上游取水高程有关,还取决于坝前库区取水层水温垂向分布;随着取水水头的降低,下泄水温逐渐升高,而增幅表现出逐渐减小,且该变化规律与坝前取水层水温垂向梯度无关;当老坝缺口拆除高程大于240.0 m时,下泄水温受老坝缺口拆除高程影响有限;大型分层型水库取水水头建议取16.0~18.0 m,但该结论仅根据单一工程研究得出,其通用性尚需要根据其他工程进一步研究验证。     

水轮机转轮固液两相三维紊流计算及磨损预估

本文在两流体模型的基础上，使用贴体坐标的有限体积法，利用有科氏力修正的κ-ε-Ap两相流紊流模型建立了水轮机转轮内部的三维泥沙固液两相紊流计算模型。模型中求解了考虑压力对固粒相影响的时均Reynolds动量方程，并利用泥沙相的速度和浓度分布，数值计算了转轮的泥沙磨损。为了验证模型的可行性，用该模型计算了刘家峡HL001-25模型水轮机转轮内部的三维泥沙固液两相紊流流动，数值预估了转轮的泥沙磨损并与磨损试验结果进行了比较。     

试验场地下水流的数值模拟

为研究某市建的试验场是否对周边地下水量造成影响,采用伽辽金有限单元法,建立试验场浅层地下水水流模型,使用Fortran语言对所建立模型进行编程,并对试验场地下水进行了数值模拟.本次计算共分为十二个阶段,每个阶段的时间步长为30 d.计算结果表明:在模型的识别阶段和验证阶段,所有观测孔水头的计算值与观测值,在各时段拟合相对误差率分别为66.28％和88.53％,所建模型基本可用于试验场地下水水流计算.周边地下水水位增加94.08 mm,试验工程建成后会对周边地区造成影响.     

表层排放温水在陡岸型深水中温度层化的测量与模拟

为了研究水体温度分层现象与规律,针对表层排放温水在陡岸型深水中的温度分层现象进行了测量和模拟。首先建立一个表层排放温水在陡岸型深水环境中对流扩散的试验模型,利用温度同步测量系统测量了模型中水体温度场随时间的变化。然后,利用TELEMAC-3D软件建立了一个相应的三维流场与温度场数值模型。根据试验数据对模型进行率定,并开展与试验对应的模拟。结果表明,温度分层后水体从上至下可分为表层同温层、密度跃层和下部滞温层。数值模拟结果与试验结果吻合,所建立的数值模型可作为研究水体温度分层现象和规律的工具。通过分析模拟结果中水体温度分层与理查德森数(Ri)的关系,验证得到判断温度场分层与混合的理查德森数(Ri)临界值为0.25。     

三峡水库一维水动力数值模拟及可视化研究

运用Preissmann四点隐式格式对一维圣维南方程组进行求解,建立长江三峡水库一维水动力数学模型,并从水位、流量、流速等方面分析库区水流运动规律。采用VB编程实现了图形界面与Fortran计算程序的数据交互,通过混合编程技术生成动态链接库将两者连接起来,成功实现了一维水动力数值模拟和动态显示的一体化,研究成果的应用对于三峡水库的运行调度具有参考与支持作用。     

高地温隧洞温度场三维数值模拟分析

在高地温条件下,温度场是影响引水隧洞结构稳定的重要因素。为了研究不同工况下引水隧洞的温度场特性,以新疆布仑口—公格尔水电站高地温引水隧洞为依托,采用有限元仿真模拟的方法建立三维模型,对不同工况下高地温引水隧洞围岩及衬砌结构的稳态温度场特性进行了模拟计算,并取衬砌结构及围岩不同测点的温度场特性值进行对比分析。结果显示:受洞口及掌子面影响,围岩及衬砌温度随洞深增大可分为平缓段和骤升段两个阶段,且呈非线性变化。衬砌腰拱与顶拱内表面温差随洞深增大逐渐减小,且与工况有关,施工期最大值为1.26℃,运行期最大值为0.22℃。从模拟结果与实测结果的对比分析可知,实测与模拟所得围岩温度场分布特性相同。研究成果可为高地温引水隧洞热力耦合分析及其洞室稳定性提供了理论依据,同时也可为高地温区相关工程提供参考。     

漫湾水电站水库水温分布观测与数学模型计算研究

近年来建设的高坝大库越来越多,下泄低温水的影响日趋严重,对水库下泄低温水的影响和减缓措施的研究应给予关注和不断加强。本文是对已投入运行的漫湾水电站库区的水温结构进行研究。通过2004年2月对漫湾水库进行水温分布现场观测,并辅以三维数值模型计算,获得了较详细的水温分布成果。研究结果表明,漫湾水库的水温结构既不属于典型分层型又不属于完全混合型,应属于局部分层型或过渡型。该成果对于流域梯级水电开发对水环境的影响研究,具有一定的代表性,可用于类比分析研究与漫湾水库条件类似的其它水电站。     

热参数对冻土温度场的影响及敏感性分析

为评估热参数取值对冻土温度场的影响,将导热系数、比热、潜热作为冻土温度场的影响因素进行试验设计。通过室内试验测定了饱和粉质粘土在不同负温下的导热系数、比热及潜热值,并基于Johansen法提出了考虑冻土未冻水含量的热参数修正算法,按照变参数和常参数形式代入数值分析软件ABAQUS,获取了不同的温度场计算值。将不同负温下的热参数和某负温阶段的平均热参数代入数值分析软件,分析热参数变化对冻土温度场的影响。依据冻结试验获取了冻结150 h的模型箱温度场实测值,并将计算值与实测值进行了比较。结果表明:不同的热参数对冻结初期影响较大,随着冻结的深入各计算值间的差值逐渐缩小。采用一定负温阶段的平均热参数作为恒定热参数进行数值计算,从微观上不能满足精度要求。潜热是影响冻结温度场计算精度的主要因素,考虑不同负温土体导热系数、比热、潜热的计算更接近于实测值。研究成果为寒区水利工程设计和施工提供参考。     

堤防决口水流水力学特性的三维数值模拟

堤防决口水流的水力学特性对于制定决口封堵方案至关重要。基于FLOW 3D建立了模拟堤防决口水流的三维数值模型,首先对局部瞬间溃决水流水位场分布进行了三维数值模拟,模拟计算结果与C. Biscarini等代表性文献介绍的研究结果吻合较好,印证了数值模型的可靠性和准确性。以某流域河流堤防为例,建立了不同决口口门形状（U形、V形、T1形和T2形）的决口水流三维数值模型,计算分析了4种口门形状下决口附近的水位场及流速场分布规律。结果表明:进入决口后水流发生急速的侧向收缩和纵向跌落,决口处水深和流速在垂直水流方向断面上呈两侧小中间大的近似拱形分布,决口进口附近水流最大流速出现在决口左侧堤脚。数值模型和模拟方法可为制定堤防决口的最佳堵口方案提供技术参考。     

三峡水库蓄水以来近坝区水温垂向结构分析

三峡水库是否存在低温下泄水流一直是国内外专家学者关注的热点问题之一。本文以三峡大坝上游距离最近的庙河断面作为典型断面,利用2004-2009年实测水温资料,分析三峡水库近坝区水域水温垂向结构,结果表明：三峡水库近坝区目前还没有形成温跃层;温差较大的区域（0-75 m）均位于电站取水口高程（110 m）以下;三峡水库不存在低温水流下泄问题。     

基于混合 LES /ＲANS 方法的引水隧洞施工通风数值模拟

为了获取准确的水电工程引水隧洞施工通风瞬态流场信息并且提高计算效率,基于 Ｒealizablek － ε 两方程湍流模型建立引水隧洞施工通风三维非稳态混合 LES /ＲANS 模型,并结合某引水隧洞施工通风过程进行数值模拟,借助现场实测风速数据对数值模拟结果进行验证,同时将混合LES /ＲANS 模型的模拟结果与 ＲANS 模型和 LES 模型的模拟结果进行对比。结果表明: 混合 LES /ＲANS 数值模拟结果与现场实测数据较为吻合,其平均相对误差仅为 4. 9% 。混合 LES /ＲANS 方法仅需 1 163 996 个计算网格即可获得准确的瞬态风流场扩散规律,而 LES 方法所需网格数量近似为前者的2 倍。混合 LES /ＲANS 方法可以为水电工程引水隧洞的施工通风数值模拟研究提供重要的理论与技术支撑。     

拦河闸引水口三维流场数值模拟

水力发电厂的拦河闸引水口附近的水流流态复杂,且行洪期受泥沙影响较大。通过紊流数值模型对该区域工程整治的三维流场进行了数值模拟。计算结果给出了该区域的三维流速分布,结合泥沙运动特性可预估其工程效益,为相关部门的工程整治方案提供基本数据。